تجربه‌ی موفق حل معمای اینستگرامی ما بر آن داشت بیشتر تحقیق کنیم و آموزش را با پرسش و پاسخ پی بگیریم. برخی از مفاهیم اولیه در این مطلب آمده است.
۱. انبساط بادکنک
سوال: بادکنک گره خورده ای در دمای ۲۰ درجه و فشار ۱ بار، یک دهم متر مکعب هوا دارد. با گرم کردن بادکنک تا دمای ۸۰ درجه و ثبات فشار بیرونی، فشار داخل بادکنک چه تغییری میکند؟
پاسخ: فشار ثابت و برابر با ۱ بار باقی میماند. طبق قانون PV=nRT با افزایش حرارت بادکنک آزادانه منبسط میشود. در پی انبساط حاصل از گرمایش حجم افزایش یافته و فشار ثابت میماند. مطابق با این قانون در فشار ثابت و زمانی که امکان افزایش حجم وجود داشته باشد، وضعیت چنین خواهد بود.
۲. انبساط سیلندر؟
سوال: هوای سوال شماره یک داخل سیلندری فلزی، بسته و صلب قرار دارد. با حرارت و افزایش دما از ۲۰ تا ۸۰ درجه چه اتفاقی رخ میدهد؟
پاسخ: در این حالت و به دلیل عدم امکان انبساط، فشار بالا میرود. مجدد مطابق با همان قانون صلبیت و فضای بسته‌ی سیلندر امکان انبساط حجمی را میگیرد و افزایش فشار آن را جبران میکند.
۳. گلوگاه
جریان هوا از نازلی همگرا عبور داده میشود. لازم است بدانیم که تمامی نازل‌ها همگرا بوده و عکس آن که شکلی واگرا دارد دیفیوزر نامیده میشود. فشار منبع برابر با ۱۰ بار و دمای آن ۳۰۰ کلوین یا ۲۷ درجه سانتیگراد است. سرعت جریان در گلوگاه به عدد سرعت صوت برابر با یک ماه رسیده است. در این حالت افزایش فشار خروجی شارش جرمی هوای گلوگاه چه تغییری میکند؟
پ اسخ: هیچ تغییری. به بیان علمی زمانی که سرعت جریان در باریکترین نقطه‌ی گلوگاه به سرعت صوت رسیده و پس از ثابت میشود، جریان خفه کرده است و دچار خفگی شده است. در این حالت تغییرات فشار هیچگونه تاثیری بر افزایش سرعت جرمی جریان نخواهد داشت. در حالت خفگی دبی یا شارش جرمی فقط به فشار و دمای منبع و سطح مقطع گلوگاه ارتباط دارد و فشار خروجی هیچ تغییری بر آن ایجاد نخواهد کرد. نسبت فشار بحرانی میان فشار ورودی و فشار خروجی تقریبا ۱/۴ است.
۴. نشتی مخزن هوای فشرده
مخزن یا تانکی با هوای فشرده‌ی ۱۰ بار پر شده است. این مخزن نشت میکند. دمای هوای نشتی چطور است و چه تفاوتی با دمای داخل مخزن دارد؟
پاسخ: تغییر دما بسیار نامحسوس خواهد بود. این به موجب آن است که ضریب ژول تامسون برای هوا و در دماهای معمول کوچک بوده و افت دمای کمی اتفاق میفتد.
۵. افت فشار
دو کمپرسور اسکروی مشابه به دو لوله‌ی موازی متصلند و این دو لوله در انتهای مسیر به یکدیگر می پیوندند. لوله‌ی الف بلند، صاف و صیقلی است، لوله‌ی ب کوتاهتر بوده و سطحی زبر دارد. آیا جریان در دو لوله یکسان خواهد بود؟
پاسخ: خیر. جریان بر اساس مقاومت هر مسیر تقسیم میشود. این بدین معناست که لوله با اصطکاک کمتر جریان بیشتری را به خود جذب میکند. این مسئله به معادله و منحنی دارسی ویسباخ، افت فشار و نقطه تعادلی مربوط است.
۶. کمپرسور سرد
کمپرسوری هوا را از ۱ بار تا ۸ بار متراکم میسازد. میدانیم که تلاش در فرآیند فشرده سازی بر آن است که فرآیند به یکی از حالات ایده‌آل همدما یا بی دررو نزدیک شود. همدما = ایزوترمال و بی دررو = آدیاباتیک.
کدام یک از فرآیندهای گفته شده نیاز به کار بیشتری دارد؟ کدام هوای فشرده خروجی را در ۸ بار با حرارت بالاتری تخلیه میکند؟
پاسخ: از فیزیک سوم دبیرستان میدانیم که کار آدیاباتیک بیشتر بوده و نیز هوای فشرده خروجی آن گرمتر خواهد بود. در فرآیند همدما یا ایزوترمال گرما دفع میشود و در نتیجه کار کمتری انجام میشود. در کمپرسورهای هوای متداول نیز همواری از خنک کننده های میانی یا اینترکولر در بین مراحل مختلف کمپرسور استفاده میشود تا با دریافت گرما فرآیند به فرآیندی همدما نزدیکتر شود.
۷. فشار بیشتر در پایین دست
فشار هوای خروجی از کمپرسور ۱۰ متر پایینتر چه تفاوتی با نقطه اولیه‌ی خروجی دارد؟
پاسخ: فشار استاتیک کاهش می یابد ولی فشار کل ممکن است افزایش ظاهری را گزارش کند. فشار استاتیک و فشار کل متفاوت بوده و این مسئله می بایست در محل نصب سنسور سنجش مورد نظر قرار گرفته شود. همچنین ابزار مختلف سنجش همچون لوله‌ی پیتو و مانومتر این تفاوت را گزارش میکند.
۸. عدد رینولدز
در دو لوله‌ی یکسان و هم‌اندازه جریان گازی با شارش جرمی یکسان برقرار است. یکی از آنها ۱ بار و دیگری ۳ بار فشار دارد. کدام جریان آشفته تر یا توربولنت تر است؟
پاسخ: لوله با فشار بالا، چگالی بالاتر و عدد رینولدز بزرگتری دارد. در نتیجه جریان داخل آن آشفته تر است.
۹) مخزن و ذخیره سازی هوای فشرده
دو مخزن هم اندازه، به ترتیب حاوی هوای تحت فشار ۵۰ بار و هوای تحت فشار ۱ بار و هر دو در ۲۰ درجه سانتیگراد هستند. دریچه‌ای میان این دو باز میشود تا هم‌فشار شوند. این فرآیند بدون تبادل حرارت با محیط فرض میشود. کدام دما بیشتر تغییر میکند و دمای نهایی چگونه است؟
پاسخ: مخزن اولی سردتر میشود. گاز در فرآیند انبساط کار انجام میدهد و با از دست دادن حرارت دمای نهایی آن کاهش می یابد. دمای نهایی با بکارگیری قانون اول ترمودینامیک و محاسبه انرژی داخلی با بکارگیری ضریب انبساط حجمی قابل محاسبه است.
۱۰) رطوبت شگفتی ساز
هوای گرم و مرطوب فشرده از کمپرسور هوا خارج میشود. این هوای فشرده خروجی از افترکولر یا خنک کننده گذر کرده و مقداری از بخار آن چگالیده میشود. آیا فشار هوای فشرده پس از تفکیک و تخلیه آب تغییری میکند؟
ممکن است. با چگالش بخار، فشار جزئی بخار آب کم میشود. همچنین ترکیب گاز نیز دچار دگرگونی شده است. این تغییرات جزئی احتمالا بر تنظیمات فشار در ابزارهای پنوماتیکی موثر است. برای درک بهتر این مطلب بایستی قانون فشار جزئی دالتون و رفتار هوای مرطوب را مطالعه کنید.
